Elektrolity
Przez elektrolity rozumiemy substancje, których
cząsteczki pod wpływem polarnego rozpuszczalnika
(najczęściej wody) rozpadają się na elementy
elektrycznie naładowane czyli jony. Ta zdolność
dzielenia siÄ™ czÄ…steczek elektrolitu na jony, zwana
dysocjacjÄ… elektrolitycznÄ….
Kiedy w roztworze pojawiajÄ… siÄ™ swobodne jony
może on np. przewodzić prąd elektryczny.
Elektrolity
Przykładami elektrolitów są np. wodne roztwory soli, kwasów i zasad.
Elektrolity dzieli się na mocne i słabe, w zależności od
ich stopnia dysocjacji:
- elektrolity mocne w roztworze są całkowicie zdysocjowane,
nawet przy dużych stężeniach. Są to silne kwasy (H2SO4, HCl) i
silne zasady (KOH, NaOH) oraz większość nieorganicznych soli
rozpuszczalnych w wodzie (KCl, NaCl, NaBr).
- elektrolity słabe nie dysocjują całkowicie (w roztworze
występują obok siebie jony jak i cząsteczki niezdysocjowane).
WiÄ…zanie jonowe w czÄ…steczkach elektrolitu zawiera sporÄ…
domieszkÄ™ wiÄ…zania kowalencyjnego.
Stopień dysocjacji
Stosunek ilości (stężenia) cząsteczek elektrolitu, które
uległy dysocjacji do wszystkich cząsteczek, które zostały
rozpuszczone nazywamy stopniem dysocjacji.
Stopień dysocjacji zależy od:
- rodzaju rozpuszczalnika
- stężenia elektrolitu
- temperatury
- obecności innych jonów w roztworze
Stała dysocjacji
Jest stałą równowagi odwracalnej reakcji dysocjacji
w danej temperaturze
Iloczyn jonowy wody
Stężenia jonów oksoniowych (wodorowych) i jonów
wodorotlenowych w czystej wodzie są sobie równe i
bardzo bliskie wartości 10  7 mol/l. Stąd iloczyn stężeń
tych jonów w wodzie, zwany iloczynem jonowym wody
Kw , równy jest w temperaturze 25oC :
Kw = [ H3O+ ] · [OH- ] = 10-14
Równanie na Kw jest spełnione również w przypadku
wodnych roztworów kwasów, zasad i soli.
Definicja pH
Definicja pH została wprowadzona w 1909 przez duńskiego bichemika
S. P. L. SÅ‚rensena
pH = pondus hydrogenii ( waga wodoru )
Najbardziej popularna definicja:
pH jest wykorzystywane do określenia stopnia kwasowości lub zasadowości
roztworów wodnych.
Definicja historyczna:
pH jest to ujemny logarytm ze stężenie jonów wodorowych w roztworze
pH = - log [H3O+]
Współczesna definicja:
pH jest to ujemny logarytm z aktywności jonów wodorowych w roztworze
pH = - log a H3O+ ; a = f · C
Definicja pOH i iloczyn jonowy wody
Analogicznie jak pH, dla oznaczenia ujemnego
logarytmu dziesiętnego ze stężenia jonów
wodorotlenowych OH- wprowadzamy pojęcie pOH:
pOH = - log[OH-]
Kw = [ H3O+] · [OH-] = 10-14
Logarytmiczna forma iloczynu jonowego wody ma
postać:
pH + pOH = 14
Skala pH
Skala pH
Skala pH jest skalą logarytmiczną. Zmiana wartości pH o jedną
jednostkę odpowiada 10-krotnej zmianie stężenia jonów
wodorowych (odpowiednio  zmiana pH o dwie jednostki
odpowiada 100-krotnej zmianie stężenia jonów H+, a o 0,3
jednostki odpowiada 2-krotnej zmianie stężenia jonów H+).
Roztwory buforowe
Mianem roztworów buforowych określa się roztwory,
które potrafią utrzymać prawie stałą wartość pH,
pomimo dodatku niewielkich ilości mocnych kwasów
i zasad. Najczęściej roztwory buforowe tworzy się na
dwa sposoby:
" słaby kwas + sól słabego kwasu z mocną zasadą, np.
CH3COOH i CH3COONa (bufor octanowy)
" słaba zasada + sól słabej zasady z mocnym kwasem,
np. NH4OH i NH4Cl (bufor amonowy)
Roztwory buforowe
Dodanie mocnego kwasu
Bufor octanowy będzie reagował z mocnym kwasem
(HCl) w następujący sposób:
CH3COONa + HCl CH3COOH + NaCl
Po dodaniu mocnego kwasu, w roztworze zostanie
wytworzona jego sól, która prawie nie wpływa na
wartość pH. Jednocześnie zostanie utworzona
odpowiednia ilość słabego kwasu octowego, którego
wpływ na pH jest mały, z racji niewielkiego stopnia
dysocjacji. Zmiana pH będzie więc tak mała, że
można ją pominąć nie popełniając znaczącego błędu.
Roztwory buforowe
Dodanie mocnej zasady
Bufor octanowy będzie reagował z mocną zasadą
(NaOH) w następujący sposób:
CH3COOH + NaOH CH3COONa + H2O
Po dodaniu mocnej zasady do buforu, przereaguje
ona z kwasem octowym. Dodany wodorotlenek
zostaje zobojętniony przez słaby kwas. Wpływ
powstającej soli na pH roztworu jest tak mały, że
można go zaniedbać. Zatem w tym przypadku pH
również nie ulegnie znaczącej zmianie.
pH roztworów buforowych
W celu obliczenia wartości pH buforu należy skorzystać z
równania na stałą równowagi tego składnika roztworu,
który bezpośrednio wpływa na stężenie jonów H+ lub OH-.
Dla buforu kwasowego (HA i AB):
pH roztworów buforowych
Dla buforu zasadowego (BOH, AB):
Pomiar pH
1. Metody elektrochemiczne
2. Metody optyczne
Metody elektrochemiczne
Metody elektrochemiczne wykorzystują urządzenia, które zamieniają
chemiczną aktywność jonów hydroniowych na sygnał elektryczny, taki
jak zmiana potencjału elektrycznego lub zmiana przewodności
elektrycznej.
Zasada oznaczania polega na pomiarze SEM ogniwa składającego się z
elektrod : wskaz
nikowej oraz porównawczej zanurzonych w badanym
roztworze. Do pomiaru stosowana jest tzw. elektroda kombinowana,
składająca się z elektrody szklanej i chlorosrebrowej elektrody
odniesienia, umieszczonych we wspólnej obudowie.
Wykorzystywne elektrody:
szklane membranowe
pH-FET
Metal/ tlenek metalu
cieczowe membranowe
Metody elektrochemiczne
Elektrody szklane
membranowe
elektroda
szklana
odnośniko
elektroda
wa
pomiarowa
- Najczęściej wykorzystywane
- Elektroda pomiarowa i
odnośnikowa są zwykle
połączone w jedno urządzenie
(elektroda kombinowana)
Elektroda szklana - schemat
Równanie Nernsta
Metody elektrochemiczne
Potencjał vs pH
Wartość idealna - 59.16 mV na jednostkę pH
Kompensacja temperatury
- współczynnik temperaturowy
wynosi Å›rednio 0,3% na °C
- większość pH metrów jest
zaopatrzona w kompensacjÄ™
temperaturowÄ…
- niektóre pH metry są
wyposażone w system
automatycznej kompensacji
(ATM) z platynowym
termometrem oporowym
Kalibracja pH metru
Roztwory standardowe do kalibracji
High purity salts Concentration/g pH at stated temperature
/L
15°C 20°C 25°C 30°C
Potassium tetraoxolate 12.61 1.67 1.68 1.68 1.68
Potassium hydrogen 10.13 4.00 4.00 4.01 4.02
phthalate
Potassium di-hydrogen 3.39 6.90 6.88 6.87 6.85
phosphate
Di sodium hydrogen
3.53
phosphate
Sodium tetra borate 3.80 9.28 9.23 9.18 9.14
decahydrate
Sodium hydrogen 2.09 10.12 10.06 10.01 9.97
carbonate
2.64
Sodium carbonate
Elektrody szklane - przykłady
Metody optyczne
Wykorzystują cząsteczki organicznych barwników (zwykle słabe
kwasy lub zasady), dla których własności widma są zależne od pH.
Niezdysocjowane cząsteczki tych związków mają inną barwę niż
ich aniony lub kationy lub występują w różnych odmianach
tautometrycznych w zależności od pH
Właściwości aminokwasów
Właściwości aminokwasów
Punkt izoelektryczny  takie pH, w którym ładunek
wypadkowy aminokwasu jest równy 0.
W punkcie izolektrycznym czÄ…steczki majÄ…:
- najmniejszą rozpuszczalność
- najmniejszą lepkość
- najmniejsze ciśnienie osmotyczne
Właściwości aminokwasów